标签: vti

  倾角传感器用来测量相对于水平面的倾角变化量。   倾角传感器的原理及技术   理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。  倾角传感器的分类 重力垂摆式(国产型号)、MEMS（芬兰VTI）、电解液式、伺服式等等。随着MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。   倾角传感器的应用   倾角传感器用于各种测量角度的应用中，例如，高精度激光仪器水平，起重机等机械设备的水平，远距离测距仪器   如何选用倾角传感器   零点稳定性和分辨率是选择倾角传感器重要的参数。如果稳定性不好，会影响到仪器的测量精度。分辨率是能检测出的最小角度/加速度单位。   长期稳定性是另外一个重要的指标。根据应用来选择合适的稳定性，例如应用环境和是否经常需要重新标定。   传感器自身的噪声和电磁干扰决定传感器的分辨率。通过优化EMC保护来抗这些电磁干扰，使得精度最大化。   灵敏度，越灵敏越好，能得到更准确的测量值，但是灵敏度高相对于测量范围就窄，所以要从需求出发，不能一味追求灵敏度增加成本。 更多详情欢迎来我主页探讨： http://bj01.sensorexpert.com.cn

近来，MEMS技术越来越引起业界的广泛重视与共识，这是因为MEMS技术形成的产品具有微型化、高性价比、能批量生产且与IC技术兼容等特点而成为一个全新的技术领域。 MEMS的基本概念及发展情况 MEMS定义 目前，MEMS（Micro Electron Mechanic Systems）的定义尚无统一标准，通常有三种： 广义定义 MEMS是指集微传感器、微执行器、信号处理及控制电路、接口电路、通信电路及电源于一体的完整的微型机电系统。它可将机械构件、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。 狭义定义 MEMS专指构成元件尺寸是微（纳）米量级的可控制、可运动的微型机电系统，或指用微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的系统。 工艺上的定义 MEMS是用微电子技术、微加工技术（硅体微加工、硅表面微加工、LIGA技术、键合技术等）相结合的制造工艺，制造出微传感器、微执行器、微驱动器以及微系统。 MEMS的研究内容 基础理论研究 主要研究微尺寸效应、微磨擦、微结构的机械效应。微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制方法。 制造工艺研究 主要研究微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等。世界上制作MEMS器件的工艺技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学离蚀或IC工艺，对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。目前，国内主要利用这种方法制备MEMS器件，该方法与IC工艺兼容，可实现微机械和微电子的系统集成，适合批量生产，成为制备MEMS器件的主要技术；第二种是以德国为代表的LIGA技术（德文Lithographie— 光刻，Galvanoformung—电铸，Abformang— 铸塑，三个词的缩写），它利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺形成深层微结构方法，制作MEMS器件。然而，这种方法需要一套独特的工艺装备，价格昂贵，但可制作深刻蚀器件；第三种方法以日本为代表，利用传统的机械加工手段，即利用“大机器”制造“小器件”，再用“小器件”制造“微器件”。 应用研究 主要是研究MEMS器件，如微传感器、微电机、微型阀、微加速度计、微惯性器件等的应用方法，特别是研究其应用领域的拓展和应用中出现的问题，可靠性和稳定性问题是应用过程中主要研究的内容之一。 MEMS的发展趋势 系统单片集成化 将敏感元件（Sensor）+专用集成电路（ASIC），集成在同一芯片上，以提高MEMS器件的灵敏度和可靠性。芬兰VTI公司生产的集成加速度传感器就是如此。 制备工艺多样化 研究MEMS器件的各种制备工艺，如：体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、LIGA工艺（光刻、电铸和铸塑）、声激光刻蚀、非平面电子束光刻、镀膜（溅射）工艺、硅 — 硅键合工艺、电火花加工、微量切割、MEMS各种型式的封装工艺等，这些新工艺可谓是层出不穷。 研究方向广泛化 对MEMS的研究，不仅涉及基础理论、制备工艺、应用技术，还涉及到MEMS技术与其他如通信技术、计算机技术的结合问题，更涉及到一些新兴学科和一些前沿技术的综合分析与应用。MEMS技术在许多领域引发了一场“微小型”革命。特别是MEMS器件的应用十分广泛，从几次大型的国际会议和国内专业会议来看，其研究方向大约有十余方面，如微传感器：力、热、磁、光、声、化学、生物器件等；微执行器：微型泵、微阀、微轴承、微电机、微探针；微惯性器件：微加速度计、微陀螺等。而MEMS在军工方面的应用更是为军界所倚重。 提高器件实用化 MEMS器件实用化有二个概念。一是器件有良好的性能和价格比，工艺稳定、成熟，能进行批量生产，MEMS器件与IC器件不同，MEMS器件一般都有活动部件，必须要考虑到生产过程中的成品率问题，因此器件的结构形式和封装水平对器件的实用影响很大，应引起高度关注。另一方面要必须考虑MEMS器件在应用时的可靠性问题，特别是在器件的设计、制造以及到具体应用的各个环节都需考虑。另外，还包括MEMS器件的测试标准和测试方法的研究。 　　 MEMS器件的应用 工业自动控制领域 MEMS器件在工业自动控制领域有着广阔的应用前景。特别是对“温度、压力、流量”三大参数的检测与控制，MEMS器件大有用武之地。目前普遍采用有微压力、微流量和微测温器件，在一些技术要求较高，应用条件和要求特殊的场合，MEMS器件就有着特殊的优势。 生物医学领域 MEMS器件在生物医学领域的应用越来越广泛，如微型血压计、神经系统检测、细胞组织探针和生物医学检测，并证实MEMS器件具有再生某些神经细胞组织的功能。 光电领域 Agere公司推出业界首款三维MEMS系统。该系统由微镜像开关、驱动器芯片等系列器件构成，集光、电、微机械和微封装于一体，优势是能够简化交换设备和交叉联接光纤联网系统的设计和制造，大大加快了全光网技术和设备的发展。 MEMS器件应用于数字光处理器件（DLP）。其产品核心是数字微镜器件（DMD）光半导体芯片。目前全球已有40家著名的TV和放映设备厂开始采用DLP子系统，LG公司展示了3款采用DLP子系统的52英寸彩电。 日本航空电子研究所的OADH元件使用于DMDW通信系统中，用于筛选出某个波长信号或者迭加信号。 生活家庭领域 汽车安全气囊、汽车用各种参数检测中的微传感器、游戏机系统均采用MEMS器件。在游戏机中，MEMS芯片组成的器件可以取代游戏机中各种链杆或按键，使用者只需改变这种器件的位置，即可随心所欲地控制整个游戏过程。 军工领域 MEMS器件的军事应用越来越受到军界的重视，应用十分广泛。 射频元器件 基于MEMS的开关、滤波器、可变电容、电感等射频元器件已取得的实质性进展，将在军用相控雷达、无线电通信中率先应用。 燃料电池 利用MEMS技术研发的微型燃料电池、处理器、超级电容器一体化装置等都已有产品问世。美国防部透露，2003年配置在便携式军用电子装备上的电池容量为1000w.h/kg，2006年为3100w.h/kg。国外正在利用MEMS技术研制实用化和高效率的微型燃料电池。 制导弹药 MEMS惯性器件仍被列为国防关键技术予以发展。国内外已小批量生产硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置用于近程导弹。国外正在加速研制高精度、低成本、集成化和抗高冲击的MEMS惯性测量装置。研究在芯片上制造光纤陀螺，并企图在一块芯片上实现INS（惯性导航）以及扩展INS的应用范围，为作制导的炮射弹药（榴弹炮弹、迫击炮弹、火箭炮弹等）提供廉价和一次性的制导和控制，提高打击精度。 电子引信 采用MEMS技术能在硅片上制作传感器、定时器、开关和控制元件，甚至可以集成电雷管最核心的部件电桥，最终形成内在质量好、可靠性高和更安全的固态电子引位。在引信设计中，包括保险装置在内的MEMS引信的尺寸将缩减到当前引信的10％，所用部件减少40％，重量至少减轻60％，使引信产生划时代的变革。 仿生机器生物 仿生机器人是借助于MEMS技术进行开发研究的，模仿动物或昆虫的生物形态、结构、习性行为的电子装置，可执行间谍、窃听、拍照、目标搜索、毒气探测、地雷探测等人类无法达到或相当危险的环境中的任务，甚至可根据需要引爆自身，达到与敌同归于尽的目的。正在开发的仿生机器生物项目有仿真苍蝇、蝙蝠、金枪鱼和龙虾等。 微飞行器 微飞行器MAV集MEMS、航空电子、飞行力学和推进器技术于一体，在战场的前沿用于侦察、电子干扰、搜寻、救援以及生物探测等军事用途。今后数年内，研制的目标是MAV的长×宽×高不超过150mm3，重量10～120g，续航时间20～60min，巡航速度30～60km/h，有效载荷1～20g，最大的飞行距离是10km，能实现图像传输，可自主飞行。 微纳卫星 利用MEMS技术，可将常规卫星上的许多部件微型化，例如气相分析仪、环形激光光纤陀螺、图像传感器、微波收发射机、电动机和执行器等，均可制作成专用的集成微型部件或仪器，甚至能在同一芯片上构成芯片级卫星，提高卫星的信息获取和防御能力，降低卫星发射成本。国外相继开展军用MEMS基础研究与应用探索，军用MEMS已不再是一个纯技术概念，它涉及到的新原理、新功能、新结构非常多，并包括各种微型传感器、敌我识别系统、数据存储系统、微显示器件、小型分析仪、微型火箭以及微自适应流体控制机构等具体装置。 欢迎大家访问传感器专家网，了解更多的相关知识与应用。

消费电子、通信电子产品，如手机、数码相机、数码摄像机、PDA、MP3、PMP、P-DVD、DC、DV、NB、NetBook等必须具备一定的抗冲击或抗跌落能力。这些产品的制造商要求其整机必须能通过1.2米或1.3米的自由跌落测试，从1.2米自由跌落至大理石地面将对整机产生大约50,000g的冲击力。如果除去外壳和印刷电路板的缓冲作用，施加到加速度计上的冲击加速度也将超过5,000g。为了抵御这种冲击，制造商要求产品设计师在产品中设计缓冲系统，并采用加速度 在第一时间获取跌落信息，同时在第一时间将怕震电子器件的 电源 关闭，并予以保护，如高速旋转的硬盘、光碟、录像带等均可使它们能够快速地进入暂停状态。为此，双轴热对流式加速度传感器则是理想的可用器件之一。        热对流式双轴加速度 传感器 是以虚拟的、悬浮于空中的“热气团”作为重力块。在微机械结构上没有可活动的部分，其独特的“桥式”结构牢牢地固定在硅芯片上，而使其能够抵御大于50000g的冲击。        热对流式加速度 传感器 是采用MEMS技术，基于单片CMOS集成电路的制造工艺而生产出来的一个完整的加速度测量系统，就像其它加速度传感器一样有重力块（质量块）。热对流式加速度传感器是以可移动的热对流小气团作为重力块的。通过测量，由加速度引起的内部腔体内的温度气团的位置变化来测量加速度。热对流式加速度传感器以气态气体作为质量块，同传统的实体质量块相比，这种加速度传感器具有很大的优势，它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题，同时还能抵抗50000g的冲击。这使得热对流式加速度传感器生产的合格品率大大提高，生产成本有效降低，因而使用的故障率很低。        热对流式加速度 传感器 的工作原理        一个被放置在芯片中央的热源在这个空腔中产生一个悬浮的“热气团”，同时四个由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时，所有的四个热电耦组均因感应温度相同而产生的电压是相同的。上面是一个空腔气室，因无加速度的外力作用，热气团位于正中央的中央热源之上。当受到一个加速度的作用，热气团向右偏移，原来四个热电耦组的平衡被破坏，其温度的下降陡度是以热源为中心而向右发生△的偏量。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而这热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度 传感器 内部，有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则是用于测量Y轴上所感应的加速度。        热对流式加速度 传感器 的内部还包含传感器的模拟信号后处理电路。来自同一轴、两个方向的热电耦组信号经差分放大、温度比较、模数转换、数模转换、低通滤波和缓冲，输出已经放大了的模拟信号；或经差分放大、温度比较和模数转换，直接将信号处理成I2C 接口界面。因此，热对流式加速度传感器是一个多芯片的片上系统，即SOC或MCM。        由于热对流式加速度 传感器 采用MEMS技术以及基于标准的CMOS制造工艺，这使其圆片加工工序的成品率大大提高，全线成品率达到90%以上。VTI等著名集成电路公司都已开发了这种类型的加速度传感器，如二轴的SCA100T，三轴的CMA3000；其它如MAS-LA/LD系列双轴加速度传感器等。MEMS IC在中国大陆设计和生产，更具有低成本的优势，使产品更具竞争力。 热对流式加速度传感器采用5×5 ×1.55mm LCC-8封装，体积小而薄，十分适合便携式产品的应用

陀螺仪，是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成。 陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。   陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。   现在广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势：   1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。   2、低成本。   3、高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。   4、低功耗。   5、大量程。适于高转速大g值的场合。   6、易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。   根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：   三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。   二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。   根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型：   速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩)；   积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；   无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩)；   现在，除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。   1、陀螺工作站的原理   高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止时可加以应用。   2、陀螺工作站的构造   陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。   追尾测定   利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。5分的真北方向。   时间测定   用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。   3、 陀螺全站仪的应用实例   3.1 隧道中心线测量   在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。特别是进行盾构挖掘（shield tunnel）的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的中心线测量方法。   3.2 通视障碍时的方向角获取   当有通视障碍，不能从已知点取得方向角时，可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角（根据建设省测量规范）。与天文测量比较，陀螺经纬仪测量的方法有很多优越性：对天气的依赖少、云的多少无关、无须复杂的天文计算、在现场可以得到任意测线的方向角而容易计算闭合差。   3.3 日影计算所需的真北测定   在城市或近郊地区对高层建筑有日照或日影条件的高度限制。在建筑申请时，要附加日影图。此日影图是指，在冬至的真太阳时的8点到16点为基准，进行为了计算、图面绘制所需要的高精度真北方向测定。使用陀螺经纬仪测量可以获得不受天气、时间影响的真北测量。   当前全球半导体大厂中大约有高达10家左右有在制造陀螺仪产品，不过即便到现在为止，他们所能做的大多还是局限在单轴的陀螺仪，且采用的方式是使用2颗芯片，1颗属于ASIC，1颗属于MEMS产品，因此在制造上的成本较高，且体积上也较大，这对于想要进入消费性电子产品而言，根本是不太可能。   世界的趋势在走向数码化，而挑战于如何将产品做到愈来愈小化。惟有将极大的资本投入在这个趋势才有生存的可能。在消费性市场而言，更多整合、更多功能、，更小，代表的是迟早所有功能都将整合进应用处理器(Application Processor) ，这个趋势已在手机，数码摄影机，及其它消费性产品中发生。目前芬兰VTI公司已经在小型低成本的MEMS陀螺仪上研发出了新成果，六月份将会在世界范围内推广针对消费类电子的陀螺仪产品。这对于消费类电子将又是一次革新。铭之光电子作为中国区VTI的独家代理，竭诚为大家服务。